燃烧与爆轰的格子波尔兹曼建模与模拟研究

Detonation is the supersonic combustion that usually propagates through shock wave. It is different from deflagration which is the subsonic combustion usually propagating via thermal conductivity. The detonation phenomena are highly concerned issues in science and engineering. They are widely used in mining technologies, national defense, aerospace engineering field, etc. . The Lattice Boltzmann (LB) method has been becoming a powerful tool for simulating complex systems in recent years. Unlike traditional computational fluid dynamics methods, the LB method is an innovative local kinetic model, based upon the basic theory of cellular automata, molecular kinetic theory and statistical physics. In the continuum limit the LB results should obey the macroscopic equation such as Euler.equation and Navier-Stokes equation. Because of its intrinsic kinetic nature, the LB model can be used to investigate many physical phenomenon at microscopic or mesoscopic level which are generally difficult for traditional methods.. Based on the work we have previously done, in this project we would like to carry on the triple points structure, regular and Mach reflection of detonation wave; study on the physical mechanism and the influence of various factors; research on the problems on the Rayleigh-Taylor (RT), Richtmyer-Meshkov (RM) and Kelvin-Helmholtz (KH) instabilities induced by detonation wave, etc. During the study, we are particularly concerned about some of the characteristics, mechanism and the law of non-equilibrium process that traditional methods can not describe.

爆轰现象不仅是一个流体动力学过程，还是伴有大量能量释放的化学反应动力学过程。在国防、航空航天、能源等高科技领域有重要的应用前景。由于冲击起爆、热起爆、爆轰问题等涉及非定常、多尺度、非线性、非平衡以及化学反应等复杂过程，其物理描述与机理研究极具挑战性。格子玻尔兹曼（LB）方法基于平衡统计物理的基本方程——玻尔兹曼方程，除了Navier-Stokes方程可以描述的系统外，LB也可用于连续介质建模不在成立的非平衡系统。经过近三十年的迅速发展，LB逐渐成为一种全新的复杂系统建模方式和模拟工具。. 本项目将在原有研究的基础上，构建用于双组分燃烧和爆轰的LB模型。为了模拟燃烧和爆轰的流动过程，模型使用两个平衡态分布函数分别描述反应物和产物的密度、动量和能量；为验证所构造模型的稳定性和精度，将对一系列高速可压气体动力学经典算例进行模拟；将利用所构造模型对三波点结构、正规反射和马赫反射等现象进行数值模拟，研究其物理机制，考察各因素的影响；此外，将对爆轰波引发的RT、RM、KH不稳定性问题做深入研究；在上述研究过程中，我们尤其关心传统方法所不能描述的非平衡过程中的一些特征、机制规律。

爆轰是通过冲击波传播的超声速燃烧。爆轰过程释放巨大能量，爆轰波扫过的介质成为高温高压的爆轰产物。爆轰在国防、航空航天、能源等高科技领域有重要的应用前景。.本项目提出了用于双组份燃烧和爆轰的格子Boltzmann模型。流场使用两个平衡态分布函数分别描述反应物和产物的密度、动量和能量，采用Lee-Tarver反应率函数描述化学反应，该模型能够实现化学反应和流动的自然耦合。使用所构造的模型研究了以下问题：带有粘性和热传导的活塞问题；爆轰波与冲击波的对撞；热起爆问题；爆轰波的正规反射和Mach反射；爆轰波引发的RT、RM、KH不稳定性问题。在上述研究过程中，我们尤其关心传统方法所不能描述的非平衡过程中的一些特征、机制规律。此外，我们研究了一维稳定爆轰过程中化学反应区内的非平衡效应。我们发现：在von Neumann峰处，系统状态偏离热力学平衡的程度不是最大，而是最小，最接近热力学平衡态；在von Neumann峰两侧，系统以相反的方向偏离热力学平衡；一般情形下，峰前偏离幅度较大。.从基础研究的角度，本项目提供了构造燃烧和爆轰问题的格子Boltzmann模型并用于研究与微介观结构相关的非平衡问题的一种思路和实例。在实际研究过程中，可以根据具体情况，选用不同的格子Boltzmann模型和反应率方程。可以通过宏观量研究系统的非平衡行为，提供系统偏离热力学平衡引发的可观测宏观效应是格子Boltzmann建模优越于宏观建模的地方。除了自身的价值外，格子Boltzmann模型模拟结果可以为现有程序或软件中宏观建模的改进提供物理参考。